基于复合振动的粘着控制微操作技术及其实验研究

摘要

借助于微操作技术，人们可以随意加工和组装出三维MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)元件、操作微小生物对象或是移动微机器人系统，从而完成相应的实践活动。随着微操作技术应用广泛涉及到微系统制造、显微医疗、生物医学、光学调整等重要领域，操作对象的特征尺寸的也在不断减小，所造成的尺度效应对微操作方法和微器件设计、制作提出了新的挑战和要求。微作业工具做为微操作的重要部件，是连接微观系统和宏观系统的关键环节。MEMS技术以微机械系统为研究对象，可以用它实现极其微细的操作。其快速发展促进了自动化技术、微小型机器人技术等在微观世界内的发展，给予了面向微操作作业的微小型机器人全方位的发展空间。
　　在国家杰出青年科学基金项目“微纳尺度粘着机理、操作与控制的理论与方法”（项目编号50725518）和国家自然科学基金项目“基于动态粘着控制的微尺度对象操作机理及方法的研究”（项目编号50805040）资助和全面分析国内外基于微操作方法和工具研究现状的基础上，本文针对微操作的发展趋势和微尺度操作的粘着问题，提出了一种基于粘着控制的动态微操作方法，并结合MEMS技术，研制出集结构、驱动和力检测于一体的硅基微型夹持工具用于实验研究。本文分别对微尺度操作机理及粘着控制、集成式MEMS微夹持器结构设计及实现方法、基于复合振动的微操作控制策略以及操作实验等方面进行深入的研究探讨。
　　在微尺度操作机理及粘着控制方面，建立典型微操作模型，研究微观粘着力的产生、计算和控制方法；分析拾取和释放过程中微观粘着力的变化规律，建立微操作过程中粘着变化模型。在粘着模型基础上，结合夹持方式的优势，提出复合振动的操作控制方法。研究振动频率、操作加速度等动态参数与操作对象惯性力、粘着力之间的关系。建立操作加速度、粘着力之间的关系，得出微操作拾取和释放条件下操作工具加速度动态指标与操作效果的最佳匹配关系，解决微尺度对象释放后的精确定位的问题。
　　在集成式MEMS微夹持器结构设计、关键工艺分析及实现方法方面，基于微操作工具结构、驱动和检测一体化设计理念，设计了集成式微夹持器。通过分析静电梳齿驱动器致动机理，对微夹持器的驱动部分进行设计。利用材料力学原理，建立倾斜式“n”型柔性支撑梁的刚度模型并对驱动稳定区域进行建模分析，增加微操作工具的动态稳定性；将有限元法用于微夹持器关键部件的结构分析，通过理论建模分析和仿真方法相结合，确定微夹持器的放大机构和检测梁的参数尺寸；同时将基于侧壁压阻式的力传感器集成到微夹持臂上，实现闭环力反馈。在工艺和实现方法方面，结合硅微机械加工技术，制定出一套加工集成式微夹持器的加工工艺流程，通过反应离子深刻蚀(DRIE)切割成型技术和离子注入技术相结合，成功地把基于压阻效应的力传感器集成到微夹持器中。
　　在复合振动微操作控制策略以及操作实验方面，首先针对静电致动器的特性对微夹持器的驱动电源进行设计研究；并结合微操作中的特殊要求，对振动驱动电路和力检测电路进行了设计。利用压电陶瓷微动平台实现复合振动的操作控制，配合微夹持器的振动完成有效拾取和精确释放。通过对微夹持器系统动态模型和控制策略的分析得出微操作拾取和释放控制方法。
　　最后建立基于粘着控制的微操作实验系统。首先对微夹持器进行性能测试，对部分微夹持器进行了疏水剂的封闭处理，为对比实验做准备。针对微尺度对象作业，进行了不同环境和条件下，不同体积的微靶球典型样品的稳定拾取、有效释放和精确定位的实验研究；并对微操作中的影响因素进行了总结，结合微球操作实验，对微操作中主动避免微观力干扰的必要性进行了分析和实验，为微操作系统的设计和微操作方法提供了可以借鉴的理论与实践经验。

目录

基于复合振动的粘着控制微操作技术及其实验研究

RESEARCH ON MICROMANIPULATIONTECHNOLOGY AND EXPERIMENT BASED ONADHESION CONTROL OF COMPOUNDVIBRATION

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题的背景及其意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 微操作机器人系统研究现状

1.2.2 微操作粘着力研究现状

1.2.3 微尺度对象操作方法研究现状

1.2.4 微操作工具研究现状

1.2.5 基于体硅工艺的微夹持器研究现状

1.3 课题来源和本文主要研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 本文主要研究内容

第 2 章 基于粘着控制的微操作机理与方法

2.1 引言

2.2 微操作粘着机理分析

2.2.1 微尺度下的粘着效应

2.2.2 微观粘着力建模

2.2.3 微尺度粘着弹性接触理论

2.3 基于粘着控制的微操作方法

2.3.1 粘着控制微操作分析

2.3.2 基于粘着控制的微操作建模

2.4 微操作仿真分析

2.4.1 拾取仿真

2.4.2 释放仿真

2.5 本章小结

第 3 章 MEMS微操作工具研究

3.1 引言

3.2 微操作工具的总体设计

3.3 静电驱动器的设计分析

3.3.1 静电驱动机理

3.3.2 梳齿驱动稳定性分析

3.3.3 静电梳齿设计

3.4 柔性支撑梁及力检测梁的设计分析

3.4.1 柔性支撑梁结构设计

3.4.2 微夹持器放大机构设计

3.4.3 力检测梁设计

3.4.4 微操作工具有限元分析

3.5 微夹持器工艺设计与研制的样品

3.5.1 微夹持器制作工艺

3.5.2 侧壁压阻工艺

3.5.3 微夹持器样品

3.6 本章小结

第 4 章 微夹持器驱动及动态操作控制研究

4.1 引言

4.2 微夹持器控制系统

4.3 微夹持器驱动电源设计

4.3.1 静电驱动电源设计

4.3.2 静电驱动振动特性设计

4.3.3 静电驱动控制系统性能测试

4.3.4 力检测电路设计

4.4 微驱动平台设计与控制

4.4.1 微动平台设计及陶瓷选择

4.4.2 振动控制分析

4.5 微操作粘着控制策略

4.5.1 夹持力闭环控制方法

4.5.2 动态拾取控制过程

4.5.3 动态释放控制过程

4.6 本章小结

第 5 章 粘着控制微操作实验研究

5.1 引言

5.2 实验系统设计

5.2.1 实验目的

5.2.2 实验系统组成

5.3 微夹持器性能测试及夹持实验

5.3.1 张合量测试

5.3.2 力传感器标定

5.3.3 开环夹持实验

5.3.4 微力控制

5.4 动态粘着控制拾取实验

5.4.1 微夹持器末端梁疏水封闭处理

5.4.2 潮湿环境下的拾取实验

5.4.3 削弱静电力影响下的拾取实验

5.5 粘着控制的释放实验

5.5.1 单向振动释放实验

5.5.2 复合振动释放实验

5.5.3 释放区域控制

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历